智能視頻技術在平安城市監(jiān)控系統(tǒng)應用-平安城市

智能視頻技術在平安城市監(jiān)控系統(tǒng)應用-平安城市

導讀：隨著平安城市工程在全國范圍內的迅速推進，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎建設已經初具規(guī)模，并取得顯著成效，由其產生的帶動效應也逐步在全國許多地方不同程度、不同范圍的得到拓展。而視頻圖像采集、傳輸、顯示、存儲、平臺綜合管理等功能正逐步能夠滿足城市視頻監(jiān)控的一些基本要求。典型的城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端已經有足夠數量的攝像機能監(jiān)視所轄地段；有視頻矩陣能將高質量的圖像切換到專門監(jiān)控室的電視墻上，能實時控制云臺攝像機快速跟蹤可疑目標；有錄像機進行錄像存檔，有綜合管理平臺進行聯(lián)網報警綜合處理等。大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)已逐步成為科技強警的重要組成部分和維護社會治安的有力手段。

隨著平安城市工程在全國范圍內的迅速推進，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎建設已經初具規(guī)模，并取得顯著成效，由其產生的帶動效應也逐步在全國許多地方不同程度、不同范圍的得到拓展。而視頻圖像采集、傳輸、顯示、存儲、平臺綜合管理等功能正逐步能夠滿足城市視頻監(jiān)控的一些基本要求。典型的城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端已經有足夠數量的攝像機能監(jiān)視所轄地段；有視頻矩陣能將高質量的圖像切換到專門監(jiān)控室的電視墻上，能實時控制云臺攝像機快速跟蹤可疑目標；有錄像機進行錄像存檔，有綜合管理平臺進行聯(lián)網報警綜合處理等。大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)已逐步成為科技強警的重要組成部分和維護社會治安的有力手段。然而監(jiān)控攝像機數量的不斷增加，監(jiān)控時間的不斷延長，也給監(jiān)控系統(tǒng)的維護工作帶來了新的挑戰(zhàn)。如何及時了解前端視頻設備的運行情況，保證大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的長期穩(wěn)定使用?這將是平安城市建設后期值得長遠關注的問題。平安城市監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著2008年22個城市報警與監(jiān)控系統(tǒng)建設試點和第二批科技強警示范建設城市先后驗收，標志著平安城市試點工作圓滿結束。而城市治安監(jiān)控系統(tǒng)作為平安城市建設、公安"科技強警"和公安信息化建設的主要內容也將逐漸由系統(tǒng)建設向運營管理階段過渡。在系統(tǒng)的應用階段，大規(guī)模系統(tǒng)建成后如何應用?如何和公安業(yè)務緊密結合，發(fā)揮其最大的效能?如何最大程度的體現(xiàn)系統(tǒng)的建設效益?這一系列的問題也必然將逐步引起人們重視。就目前來說，平安城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運營維護工作一般是由人工完成。維護人員在中心監(jiān)控室，通過模擬矩陣或數字視頻流媒體服務器將遠端視頻調出到監(jiān)視屏中，人工判斷每路視頻的質量，并將有問題的視頻記錄到維護報表中。這項工作十分耗時繁重，因此一般維護工作會以半個月或一個月為周期定期檢查，視頻故障只能在檢測的時候才能發(fā)現(xiàn)。由于監(jiān)視屏數量有限，維護人員往往在一個監(jiān)視屏同時監(jiān)看多臺攝像機或隨機抽取攝像頭顯示，造成部分監(jiān)控點被漏看或被忽視；另外，維護人員存在一定的不穩(wěn)定性、隨意性和局限性，加上人的注意力有限、容易疲勞，會被其他事物干擾，使得這樣的人工檢查結果也不具客觀性。這種人工維護工作不僅費時費力，而且效果不好，視頻信號在出現(xiàn)不同的常見故障后，往往不能及時地被維護人員發(fā)現(xiàn)，形成了部分的攝像機要么沒有錄像資料被保存，要么即便有錄像資料，也是質量很差，無法從中獲取有價值的信息內容。在這種情況下，沒有完好的錄像信息，一旦發(fā)生突發(fā)事件或案情時，想要調看當時的錄像信息時，卻因為拿不到足夠完好的錄像信息而使視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能發(fā)揮良好的作用。而智能視頻分析技術的不斷成熟為解決這一問題提供了更加完善解決方案。智能視頻分析技術及其發(fā)展智能視頻(IV，IntelligentVideo)源自計算機視覺(CV，ComputerVision)技術(計算機視覺技術是人工智能研究的分支之一)，它是在圖像及圖像描述之間建立關系，從而使計算機能夠通過數字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內容，達到自動分析和抽取視頻源中關鍵信息的目的，也就是智能視頻分析技術(IVS)。自20世紀90年代智能視頻分析技術誕生以來，經過數十年的發(fā)展，這項起源于計算機視覺的技術伴隨著商業(yè)化的逐步應用正日益受到人們的普遍重視。一些國內外專業(yè)的視頻分析研究廠家都相繼推出了各種不同形態(tài)的產品，如智能視頻服務器、智能網絡攝像機、智能分析硬盤錄像機、智能視頻分析軟件等。作為視頻監(jiān)控的高端應用，像周界檢測、行為分析、視頻故障診斷等功能業(yè)已在各重點行業(yè)中成功應用，并逐步顯現(xiàn)威力。拿平安城市監(jiān)控系統(tǒng)來說，其一方面主要體現(xiàn)在一些重要的路段、社區(qū)、公共場所等，以通過視頻監(jiān)控方式對出現(xiàn)的可疑目標進行監(jiān)控報警。另一方面則集中在監(jiān)控系統(tǒng)的后期運營管理過程中，以通過視頻分析技術檢測前端攝像頭常見故障與視頻圖像質量的低下，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的有效維護。視頻質量診斷系統(tǒng)作為安防領域的革新產品，是視頻分析技術在平安城市監(jiān)控系統(tǒng)運營維護方面的典型應用，也是應用性相對普遍的一種產品。它主要應用在大型監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，通過控制監(jiān)控中心矩陣主機的視頻切換輸出或連接數字視頻流媒體管理服務器來獲取前端所有攝像機的視頻信號，對視頻圖像出現(xiàn)的雪花、滾屏、模糊、偏色、畫面凍結、增益失衡和云臺失控等常見攝像頭故障以及惡意遮擋和破壞監(jiān)控設備的不法行為做出準確判斷并發(fā)出報警信息；在視頻監(jiān)控設備日益增多的今天，其在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，必然更加有利于幫助用戶快速掌控前端設備運行情況，輕松維護大型的安防系統(tǒng)。視頻質量診斷核心技術視頻質量診斷系統(tǒng)采用了視頻圖像分析的方法來檢測監(jiān)控系統(tǒng)中存在的各種視頻常見故障。從現(xiàn)在普遍出現(xiàn)的攝像頭故障類型來看，影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻質量的因素有很多，主要概括來說有以下幾點：·攝像機的設置不當或器件老化失效，包含攝像機的分辨率、攝像機對光照的靈敏度、鏡頭聚焦調整、色彩校正等；·大型監(jiān)控網絡中視頻信號通過長距離電纜傳輸、多級矩陣切換以及多級網絡轉發(fā)，電源、控制器等多種干擾信號可能對視頻信號產生強烈的干擾，線路老化、接頭松動等現(xiàn)場環(huán)境的變化可能帶來視頻噪聲；·大量使用PTZ球機，長期的運動變焦有可能讓部分球機發(fā)生方向錯誤、不可控等故障。針對以上提到的種種視頻故障，可將故障類型分成視頻信號缺失、視頻清晰度異常、視頻亮度異常、視頻噪聲、視頻雪花、視頻偏色、畫面凍結、PTZ運動失控8種。這其中，視頻信號缺失、畫面凍結兩種故障可通過人工設計基于視頻圖像比對的方法得出結論；PTZ運動失控則是由故障檢測系統(tǒng)發(fā)出運動指令，然后通過對視頻圖像的運動分析來檢測是否有故障；而對于其他的5種故障，很難通過人工設定規(guī)則的方法來檢測，這就需要通過機器學習的方法，讓機器來模擬人的視覺反應，檢測視頻是否存在故障。針對這5種不同類型視頻故障，設計5個不同的基于機器學習的檢測器，每個檢測器負責分析一段視頻是否存在某一種故障，以及這種故障的嚴重性。而在實際運行的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中提取大量的視頻片斷，包括正常視頻以及存在各種故障的視頻，形成訓練樣本，并模擬人類視覺特性，針對不同故障類型提取了大量視頻圖像特征參數，用以訓練得到診斷不同故障的檢測器。在分析階段，獲取需要分析的一段固定長度的視頻，根據用戶設定的該路視頻的檢測項目，使用不同的故障檢測器，提取相應的視頻圖像特征，然后輸入到已訓練好的故障檢測模型中，即可獲取對該段視頻的故障評價結果。這五種檢測器可以檢測到的視頻故障典型案例如下：視頻清晰度異常檢測；視頻頻亮度異常檢測；視頻噪聲檢測；視頻雪花檢測；視頻偏色檢測?；趦?yōu)秀的底層算法，視頻質量診斷系統(tǒng)具備以下技術特點：·高準確度：采用大量的實際視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻作為訓練樣本，各種故障檢測器均來源于實際系統(tǒng)，并經過大量實際系統(tǒng)的測試，因此檢測準確率高；·良好的攝像機角度適應性：故障檢測器的訓練樣本來自多種不同場景，涵蓋了治安視頻監(jiān)控系統(tǒng)中眾多常見的攝像頭監(jiān)視角度，因此對各種攝像頭角度、焦距以及不同的攝像內容都有良好的適應性；·獨特的抵抗球機運動的能力：在每一中類型的故障檢測器的設計和訓練過程中，都考慮到了攝像頭云臺運動以及鏡頭推近拉遠有可能帶來的視頻圖像特征的變化，在檢測過程中都首先進行攝像頭運動分析，一旦發(fā)現(xiàn)攝像頭處于PTZ運動過程中，則首先不再檢測PTZ運動是否異常，以防止檢測時發(fā)送運動指令影響當前的球機運動；其次，僅使用對攝像頭運動不敏感的特征來進行其他類型的故障分析，避免因運動原因造成誤報或漏報；·出色的環(huán)境適應能力：算法模塊對于場景內由于車流、人流、季節(jié)、氣候產生的光線、陰影變化不敏感，因此，可以適用于多種不同的室外環(huán)境；·強化學習能力：現(xiàn)有的視頻質量診斷系統(tǒng)與人類的故障識別能力仍有明顯的差距，因此應用場景的差異對于視頻質量診斷系統(tǒng)的性能是有影響的。像人類的視覺系統(tǒng)一樣，視頻質量診斷分析模塊也具備后天強化學習的能力，只要加入當地的新樣本重新訓練檢測器，算法的性能將進一步提高。視頻故障診斷項檢測事項1、清晰度檢測自動檢測視頻中由于聚焦不當、鏡頭損壞或異物遮蔽引起的視野主體部分的圖像模糊；自動檢測鏡頭對準無意義物體的情況。該功能對實時視頻的畫面清晰程度和信息含量做出評價(如偶然異物遮擋、被人為地蒙蔽等)，從而及時發(fā)現(xiàn)故障。"驟變"作為此功能在周界防范技術領域的應用延伸，目前已普遍得到人們的認可。2、視頻干擾檢測自動檢測視頻圖像中圖像模糊、扭曲、雪花、抖動或滾屏等噪聲現(xiàn)象。其主要的監(jiān)測對象是由于線路老化、傳輸故障、接觸不良或受到電磁干擾而在視頻畫面上出現(xiàn)的點狀，刺狀，帶狀的干擾。由于造成干擾攝像頭形成故障的形式非常多樣，在視頻質量診斷系統(tǒng)中將呈帶狀、網狀帶有周期性的干擾交由"噪聲"檢測項監(jiān)測，而將點狀，刺狀的隨機干擾交由"雪花"檢測項監(jiān)測，從而提高診斷的準確性。3、亮度異常檢測自動檢測視頻中由于攝像頭故障、增益控制紊亂、照明條件異?；蛉藶閻阂庹趽醯仍蛞鸬漠嬅孢^暗、過亮或黑屏現(xiàn)象。該功能將對視頻的明暗程度進行診斷，由于在不同時段可改變診斷計劃和監(jiān)測閾值，亮度異常檢測在晝夜都能發(fā)揮作用。4、偏色檢測自動檢測由于線路接觸不良、外部干擾或攝像頭故障等原因造成的畫面偏色現(xiàn)象，主要包括全屏單一偏色或多種顏色混雜的帶狀偏色。該功能對視頻的顏色信息進行分析，它的特點是當視頻中出現(xiàn)豐富色彩時，能夠區(qū)分它們是由自然場景帶來的，還是由于攝像頭自身故障產生的，從而使攝像頭偏色檢測實用化。5、PTZ(云臺)控制功能診斷自動檢測前端云臺和鏡頭是否能夠按用戶指令正確運動，例如，左轉失靈、上下倒序等。該功能能夠自動對PTZ的各指令進行測試，使管理人員準確及時地把握系統(tǒng)內PTZ的運行情況。不過，此功能需要系統(tǒng)擁有控制前端PTZ的權限。6、視頻凍結檢測自動檢測由于視頻傳輸調度系統(tǒng)故障引起的視頻畫面凍結現(xiàn)象，可避免遺漏真實的現(xiàn)場視頻圖像。7、視頻缺失檢測自動檢測因前端云臺、攝像機工作異常、損壞、人為惡意破壞或視頻傳輸環(huán)節(jié)故障而引起的間發(fā)性或持續(xù)性的視頻缺失現(xiàn)象。后端查詢系統(tǒng)功能在視頻質量診斷系統(tǒng)實際應用中，充分考慮現(xiàn)有資源情況，對視頻診斷的需求進行深入的分析，系統(tǒng)最終可實現(xiàn)以下功能：·用戶登錄與管理：可根據不同用戶的權限查詢不同區(qū)域攝像頭的診斷記錄和統(tǒng)計分析結果；·攝像頭信息設置：允許用戶以系統(tǒng)管理員的身份登錄后設置待檢測的攝像頭信息，以及設置攝像頭相關屬性所需要的屬性信息，包括派出所、分局、品牌等；·診斷記錄查詢：可按多種條件對診斷歷史記錄進行綜合性的記錄查詢，條件包括：診斷日期、攝像頭所屬區(qū)域、品牌、故障類型、故障嚴重程度等；·統(tǒng)計分析：可統(tǒng)計當前時間前一周、一個月、一季度、一年的攝像頭故障數、故障率的趨勢圖、對比圖；可設置品牌、故障類型以及故障嚴重程度等統(tǒng)計條件，統(tǒng)計報表以柱狀圖或折線圖方式顯示；·報障流程管理：當發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)故障時，用戶可指定相應設備管理人員進行跟進，此故障攝像機進入處理流程，流程信息包括報障人員、處理人員、故障原因、恢復時間等；·系統(tǒng)日志管理：對日常維護記錄進行登記，顯示登錄賬號、時間、操作內容等；·區(qū)域健康狀況：顯示區(qū)域健康狀態(tài)，鼠標移動到狀態(tài)圖上可以顯示區(qū)域的故障率；健康值的標準后臺可以自行設定；·智能報警功能：當一個區(qū)域同時出現(xiàn)大量故障攝像機時，將觸發(fā)報警；·留言板：提供留言板功能，方便同區(qū)域使用人員交流系統(tǒng)的使用；·報表導出和打?。河涗洸樵兓蚪y(tǒng)計分析結果生成的報表均可導出為Excel文件或打印，方便用戶進行維護記錄跟蹤。系統(tǒng)結構視頻監(jiān)控系統(tǒng)的趨勢正從模擬系統(tǒng)向數字化系統(tǒng)過渡，然而，在目前實際的應用過程中，模數共存仍然是國內視頻監(jiān)控的普遍現(xiàn)狀，這也就決定了智能視頻分析產品應用的靈活性拓展?；谝曨l分析技術的視頻質量診斷系統(tǒng)能有效地與模擬監(jiān)控系統(tǒng)或數字監(jiān)控系統(tǒng)相結合，并可支持多級聯(lián)網的集中監(jiān)控管理結構。視頻質量診斷系統(tǒng)運行于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，通過控制監(jiān)控中心矩陣主機的視頻切換輸出或連接數字視頻流媒體管理服務器來獲取前端所有攝像機的視頻信號，通過輪詢的方式對各路視頻信號進行檢測；將每路的檢測結果儲存到歷史記錄數據庫，并提供WEB查詢網站進行歷史記錄查詢和故障統(tǒng)計分析。整體系統(tǒng)在模擬視頻系統(tǒng)和數字視頻系統(tǒng)中的應用結構圖如圖12、圖13所示(當然根據視頻類型的不同也可以構造應用于模數混合監(jiān)控系統(tǒng)的視頻診斷系統(tǒng))。本系統(tǒng)由視頻診斷服務器和文安視頻診斷綜合管理服務器組成。其中，視頻診斷服務器負責進行視頻質量分析，它可以設置診斷計劃，按診斷計劃中的攝像頭列表和檢測項目逐路切換視頻，對視頻進行質量的分析診斷，最終向綜合管理服務器輸出一條對該攝像頭的質量診斷結果以及一張視頻截圖。視頻診斷綜合管理服務器負責提供攝像頭管理、攝像頭區(qū)域管理、品牌管理、用戶管理、日志管理等各種系統(tǒng)配置和管理功能，負責接收視頻診斷服務器的分析結果并存入數據庫，同時負責提供基于WEB的歷史記錄查詢和統(tǒng)計分析功能。系統(tǒng)應用特點視頻質量診斷在平安城市監(jiān)控系統(tǒng)維護方面的應用，最終可實現(xiàn)以下特點：·直接依據視頻圖像特征來分析視頻故障，無需添加其他設備，也不破壞現(xiàn)有設備，能兼容各種類型的視頻輸入和傳輸設備，是一種對現(xiàn)有系統(tǒng)的"無損探測"；·使用基于計算機視覺算法的視頻分析方法，模擬人的視覺特性，檢測到的故障以及故障嚴重程度與人的主觀感受一致，可替代以往由人工完成的視頻故障巡檢工作。并加入運動分析功能，不僅可對正在運動的球機視頻正確分析視頻質量，還能通過發(fā)送運動指令，同時分析球機運動是否正確來檢測PTZ球機控制方面的故障；·使用基于機器學習的故障檢測器，檢測結果客觀、可重復性強，另外，系統(tǒng)具有很好的再學習能力，只要加入當地的新樣本重新訓練檢測器，算法的性能將進一步提高；·依據大量實際監(jiān)控系統(tǒng)的用戶經驗，